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Il sensore di immagine ELIS-1024

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In questo articolo andremo a descrivere prima la tecnologia APS e la struttura elementare della cella APS, dopodichè ci focalizzeremo sul sensore scelto: l'ELIS 1024.

La tecnologia ACS "Active Column Sensor"

Al fine di rilevare la carica catturata, i sensori CMOS ACS utilizzano una circuiteria che impiega area di silicio per implementare amplificatori di lettura. L’amplificatore di lettura di un sensore ACS è un “Source Follower” che fa uso tipicamente dal 30% al 60% dell’area di silicio destinata al singolo pixel. Ciò limita il FF, e quindi la sensibilità, il DR e la velocità [23].

La non uniformità degli amplificatori a ciclo aperto comporta FPN causata dal guadagno non perfettamente controllabile in fase di fabbricazione e quindi una risposta non uniforme dei pixel che si somma al rumore di lettura. La tecnologia ACS sostituisce all’amplificatore a ciclo aperto integrato nel pixel, un vero e proprio amplificatore a ciclo chiuso esterno, lasciando che il solo stadio di ingresso sia integrato nel pixel.

Ciò comporta un drastico aumento del FF con conseguenti benefici sulla sensibilità e sul DR.

Inoltre poiché l’amplificatore esterno è a ciclo chiuso, si risolvono i problemi di FPN e di velocità del dispositivo.

 

Le innovazioni tecnologiche che sono alla base di questi dispositivi e la fiducia che il mercato mostra verso questa promettente casa oramai affermata, sono una sufficiente ragione per la scelta di un sensore video ACS per questo lavoro di tesi.

Il sensore di immagine scelto: ELIS-1024

Preso atto delle tecnologie attualmente utilizzate ed analizzato scrupolosamente il mercato dei sensori di immagine, si ritiene che il sensore di immagine ELIS-1024, prodotto e distribuito dalla Panavision SVI, sia perfettamente rispondente all’esigenza pratica di questo lavoro di tesi e quindi all’applicazione in esame.

Determinanti per tale scelta sono le ragioni di natura tecnica e tecnologica illustrate nell'articolo precedente. E’ rilevante inoltre il fatto che le specifiche dichiarate dalla casa produttrice lo rendono una scelta possibile per un ampio spettro di applicazioni ad alta velocità oltre che alta precisione.

Infine, non è da trascurare l’economicità e la semplicità di utilizzo che lo rendono idoneo a essere integrato in numerazioni applicazioni in un’ottica di economia di scala.

 

Descrizioni delle caratteristiche del sensore

La Panavision SVI dichiara che il suo sensore di immagine ELIS-1024A-LG è adatto per numerose applicazioni tra cui la spettroscopia, l’utilizzo per la calibrazione di laser, lettura ottica di caratteri (Optical Character Recognition , OCR ), oltre che per la lettura di codici a barre.

L’ELIS-1024 presenta le seguenti caratteristiche (Le specifiche sono dichiarate dalla casa costruttrice alla temperatura di 24 °C con alimentazione di 5V e clock di 1 MHz con duty cycle del 50%. La sorgente dichiarata è una luce a 3200 K):

Operazioni a singolo voltaggio variabile dai 2.8V ai 5.5V;

Risoluzione variabile tra 1024 , 512 , 256 e 128 pixel a parità di superficie illuminabile;

Pixel Size di 7.8 μm x 125 μm alla risoluzione di 1024 pixel;

Modalità di standby per il controllo del consumo energetico;

Dispositivo di Sample and Hold per un’uscita stabile nel tempo;

Sensibilità di 0.51 μV/e ;

DR di 71 dB;

FF del 100%;

Linearità del sensore pari allo 0.8% nell’intervallo di valori rilevato tra il 5% e il 75% della saturazione;

Pixel Non-Uniformity dovuta al Dark Noise pari a ±0.5% del valore di saturazione;

QE pari al 60 % alla lunghezza d’onda di picco di 675 nm;

Frequenza di Read Out dei pixel variabile tra 1 kHz e 30 MHz;

Tecnologia CMOS ACS®.

 

I fattori critici per l’applicazione da implementare sono essenzialmente la sensibilità del sensore e l’uniformità di risposta dei pixel, oltre che la linearità del dispositivo. L’ELIS-1024 risponde appieno a tutte queste esigenze. Inoltre, presenta un notevole vantaggio per la semplicità di realizzazione del circuito di test composto da soli componenti passivi, e per la possibilità di controllo con tensioni variabili in un ampio range di valori.

A ciò va aggiunta la peculiarità dei sensori CMOS di essere controllati con un numero esiguo di segnali e a basso voltaggio. L’ELIS-1024 offre la possibilità di selezionare la risoluzione aggregando gruppi di 2,4 o 8 pixel, consentendo di aumentare il pixel size illuminato senza variare la superficie utile per l’illuminazione.

In altri termini, consente di operare una media in hardware per restituire in uscita un valore proporzionale alle cariche che illuminano gruppi di pixel adiacenti. Ad esempio con una risoluzione di 512 pixel, vengono aggregati a 2 a 2 gli originali 1024 pixel raddoppiandone quindi la larghezza( che passa da 7,8 μm a 15,6 μm), e conseguentemente anche la velocità a parità di segnale di controllo in ingresso.

Un’ulteriore capacità è data dalla lettura non distruttiva dei pixel che volendo dà la possibilità di effettuare più letture dello stesso frame, con possibili operazioni di media che riducono ulteriormente gli errori di misura.  

Schema a blocchi dell’ELIS-1024A-LG

Nella figura precedente è possibile apprezzare lo schema funzionale del sensore in esame. I segnali di RST ,SHT e DATA permettono un completo controllo del tempo di reset dei pixel, del tempo di esposizioni del foto gate e dell’inizio del Read Out dei pixel. Terminata la fase di acquisizione, ogni pixel viene connesso in sequenza al VIDEO BUS presentando all’esterno il valore letto alla frequenza del segnale di clock(CLK ).

I segnali M0 e M1 permettono di azionare la logica di controllo per la selezione della risoluzione. Il segnale RM esegue la scelta della modalità operativa. Per gli obiettivi posti si utilizzerà la modalità standard, in cui la presentazione dei dati in uscita avviene subito dopo la fase di acquisizione dell’immagine.

La peculiarità della tecnologia ACS appare chiara nello schema proposto osservando l’amplificatore di lettura retrazionato all’esterno di ogni pixel3.

 

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http://it.emcelettronica.com/analisi-delle-caratteristiche-richieste-al-sistema-di-acquisizione-dati

 

 

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